安全仪表系统:应用测量最佳实践

油气加工行业安全仪表系统(SIS)的设计者和运营商可以从与设计、多样性和诊断相关的各种新技术中受益。产品和应用程序最佳实践协同工作，使SIS和单个安全仪器功能(sif)更有效地工作，从而可以消除许多可能影响安全回路性能的共因问题。

当使用各种传感技术时，这些问题大多与方程的测量有关。本文考虑了在碳氢化合物加工和其他工业中常见的与压力和水平有关的几个例子。设计、多样性和诊断的元素并不适用于每个示例，但在每种情况下都有一个或多个元素适用。

处理共同原因的问题

SIS的最佳实践设计概念在过去十年中不断发展，这是由于广泛采用ANSI / isa - s84.01 - 2004和IEC 61511标准。量化风险的计算方法已经很好理解，但对于测量来说，关键的挑战是找到与仪器性能相关的数据。虽然供应商经常提供他们声称经过第三方认证的安全统计数据，但这些数据通常来自白皮书或实验室分析，并适用于在实验室条件下安装的隔离设备本身。

不幸的是，在真实的油气加工环境中，由于变送器不能正确响应事故，从而错误报告安全条件的风险可能会显著高于现实世界中的各种接口风险，例如:

• 压力仪表脉冲管路堵塞或冻结
• 温度过低，传感器或毛细管反应缓慢
• 温度传感器涂层
• 主要流动元件的腐蚀或涂层
• 液位测量过程中流体密度变化。

如果一个或多个风险条件影响一个以上的传输器(形成一个共同的原因)，那么在典型的冗余安装中，它将主导整个系统风险。不幸的是，这种情况经常发生，因为风险的根本原因通常是流程本身的特性。例如，线路堵塞的根本原因通常是肮脏的工艺流体，当然，它会接触并影响连接到特定工艺的所有变送器。

例如，假设一个危险的压力变送器故障的风险是每年0.01次故障，这意味着它报告的过程压力在安全范围内，而实际上已经超过了安全限制。因此，如果在同一个应用程序中安装了100个设备，那么每年就会有一个设备出现这种危险的故障。扩展示例，假设连接变送器和流程的脉冲线路每年将堵塞的风险为0.005次故障。我们可以假设，如果连接一个发射机的脉冲线被堵塞，连接另一个发射机的脉冲线可能最终也会被堵塞，因为它们暴露在相同的环境中。这是一种常见的风险。

单个发射机的风险= λ_发射机+λ_堵塞= (0.01)¹+ 0.005 = 0.0150

风险与两个发射机= (λ_发射机)2 + λ_堵塞= (0.01)²+ 0.005 = 0.0051

三个发射机的风险= (λ_发射机)3 + λ_堵塞= (0.01)^3.+ 0.005 = 0.0050

这种简化的计算表明，当发射机是冗余的时，任何共同的原因都将主导测量的安全风险。因此，由于相同的共同原因，增加更多的发射机只能提供最小的安全风险降低。试图以任何精确程度量化现实世界中与常见原因相关的故障的风险是困难的，尤其是在一个新的应用程序中。因此，工程师应该致力于通过使用智能变送器的设计、技术、多样性和诊断的最佳实践来最小化每种常见原因的风险。

改进压力测量:设计和诊断

一般来说，安全工程师应该在安全应用中使用与在基本过程控制应用中被证明有效的设计最佳实践相同的设计最佳实践。当然，随着用户和供应商越来越熟悉新技术，最佳实践也会随着时间的推移而发展，并适应它们的优点和缺点。

如前所述，压力变送器通常使用传感或脉冲线连接到过程中。这些线路可以从过程连接中远程定位变送器，在那里它可以得到更好的保护或更容易地访问维护。在测量压差(DP)时(例如，要获得封闭容器中的液位或通过流量元件或过滤器的压降)，传感线路允许将变送器安装在两个水龙头之间。充满工艺液体的传感线称为“湿腿”。然而，如果充满了工艺蒸汽，它们被称为“干腿”。大多数用户发现这两种产品都需要经常保养，因为湿腿上的液体容易蒸发或被污染，而干腿上的工艺蒸汽容易凝结。由于这些和其他原因，许多用户将湿腿或干腿替换为充油密封和充油毛细管。

如果过程和环境处于不同的温度，传感线上的温度将随着热量向环境传递或从环境传递而变化。当过程持续高温，但环境温度变化时，这使得设计复杂化，这在室外安装中很常见。如果线路短，在夏季散热不足，可能会使变送器过热而损坏。这通常是一个明显的故障，使它很容易发现，但发射器将需要更换。另一方面，如果线路较长，冬季可能会散失过多的热量。图1显示了当环境温度为0°C时，典型的传感线如何在160 mm(6英寸)内冷却140°C。

随着温度的下降，工艺流体或毛细管填充流体在到达变送器之前可能开始变稠、结晶或分离。降低温度会增加各种毛细管填充流体的粘度，就像碳氢化合物加工工业中典型的过程流体一样(见表)。一般来说，沸点随分子量的增加而增加，粘度也随分子量的增加而增加。

当传感管线或毛细管的粘度超过可接受的极限时，传感器对压力变化的响应速度会减慢。一个5米长、内径10毫米的毛细管，充入小于5厘斯托(cSt)的液体，将使反应时间减少1至2秒。如果流体粘度增加到150 cSt以上，同样的系统响应时间将增加30秒以上。当然，固体填充流体的系统根本不会产生任何响应，但这可能并不明显，因为即使是堵塞的系统也可以保持之前的压力。

即使冗余的变送器与过程的物理连接不同，管线通常也会有相似的长度，并且充满相同的流体。由于这个原因，所有连接的发射机通常都有相同的慢响应或可能没有响应。当这种情况发生时，如果工艺压力变化很快，受损设备测量的值可能与工艺压力有显著差异，但逻辑求解器不会检测到变送器之间的任何偏差。在本例中，如果压力偏移在30秒内就会导致安全风险(通常情况下是这样)，安全系统就不会及时启动关井，从而发生安全事故。

即使有隔热材料，冬季室外应用的散热速度也比夏季快5到10倍。由于这个原因，通常不可能设计一套能够避免夏季过热和冬季过冷的传感线路。这使得许多用户在传感线和毛细血管上安装恒温控制的热伴热，如图2中右上角所示，以保持最佳温度。但是这会增加大量的前期和持续的维护成本。

设计和诊断解决方案

现代智能发射器有许多内置的诊断功能。例如，一些制造商包括侦听过程的能力，并允许系统编译噪声配置文件，以反映稳定和良好运行的过程。监听是通过传感线完成的，如果传感线被堵塞或填充液变得过于粘稠，振幅就会减小或声音完全消失。随着时间的推移，观察到的变化表明出现了问题，并可以提醒运营商由传感线路堵塞引起的可疑值。这并不能解决问题，但它提供了发生问题的警告。

利用先进的设计可以完全消除这个问题。新的毛细管设计在不影响响应时间的情况下消除了传感线加热的需要。如图2左上方区域所示，密封直接连接到包含热工艺流体的容器或管道。密封和内部铜管的设计经过优化，可以沿线路传递足够的热量，以保持填充油足够温暖，从而在不过热的情况下保持响应性。

对于非常热的工艺，或者用户希望将变送器安装在距离工艺较远的地方，可能需要双油解决方案(见图2，下部区域)。高分子量(MW)油用于热工艺附近，以提供快速响应和高温稳定性。低MW油，如Syltherm XLT，在中间密封后使用，当油冷却后，它通过毛细管到变送器。这种低MW流体在-50℃以下的温度下保持低粘度，即使在最冷的气候条件下也能快速响应。这些新的单油和双油系统说明了现代设计实践如何以最小的额外资本和运营成本消除重大的共因风险。

改进水平测量:技术多样性和诊断

大多数压力仪表使用相同的底层传感技术，因此通过改变基本测量技术来解决问题的方法很少。另一方面，有很多方法来衡量水平，至少有十几种基本方法。因此，当SIS依赖于可靠的水平测量时，有许多选项，每个选项都有自己的优点和缺点。这为优化技术多样性提供了极好的机会。

对于一个特别困难的应用程序，没有单一的技术可以解决所有的问题，解决一个共同原因的难题可能涉及使用多种技术:第二种不同的测量方法来支持第一种方法。二级技术并不一定更好或更差。相反，选择它是因为它的优点和缺点与主要的相辅相成。

例如，考虑一个锅炉鼓级应用程序。如果桶里的水位过低，桶就会过热而损坏。如果它太高，水就会被带进蒸汽中，损坏下游设备。考虑到这两种情况的严重后果，几乎所有锅炉都使用多个冗余液位测量装置。

锅炉汽包常用的技术有两种;两者都是DP(测量锅炉高低点之间的静压头)和机械位移器。虽然这种组合被广泛使用，但当压力或温度发生变化时，这两种技术都存在误差。例如，当鼓里的水变得更热时，它的密度就会变小。即使有一个固定的水位，较低的水密度也会导致位移器浮得更低，DP变送器读取的压力更小，这将被解释为较低的水位。因此，当滚筒压力或温度变化时，这些技术表现出显著的液位误差(见图3)。

设计师了解这些特征，通常会在构建过程中加入某种补偿形式。尽管如此，这些方法在稳态条件下是最好的。不幸的是，实际使用条件通常更加动态，负载波动和启动/关闭周期。补偿机制往往不够快。更糟糕的是，当从锅炉流出的蒸汽迅速增加时，沸水以上的压力下降，导致水起泡沫(膨胀)，水位上升，而与此同时，水的密度下降导致位移器或DP变送器读数降低。这种测量过程朝相反方向移动的问题被称为“逆响应”。相反的情况(收缩)也会发生，导致两个设备都显示的水平高于实际水平。

使用冗余的DP变送器或位移器并没有帮助，因为所有设备都受到流体密度变化的共同原因的相同影响。更好的方法是采用多样性，使用不受这种变化影响的备份技术，如导波雷达(GWR)。

GWR技术是油气行业用户熟悉的技术。它包括一个电磁脉冲，由安装在容器顶部的发射器发射，并沿着探针向下引导。脉冲的一些能量会从液体表面反射回来，而传输时间决定了到液体表面的距离。这种方法是可行的，因为在液体上方的蒸汽空间中，脉冲的速度通常是恒定的，至少在碳氢化合物加工应用中的压力和温度下是如此。

然而，对于高密度蒸汽则不是这样。高密度蒸汽的介电常数明显较高，这意味着与低密度蒸汽、空气或碳氢化合物蒸汽相比，脉冲的速度明显较低。如果不加以纠正，这可能会导致级别上的重大错误(参见图3)。幸运的是，这种错误可以被描述，然后可以在测量中构建适当的补偿。

如图4所示，较新的GWR装置在已知距离处包括一个固定反射器，通常在高层报警点处，例如法兰以下10厘米处。这种固定反射器的最初应用是简化周期性证明测试。用户无需派技术人员爬到罐顶直观地验证液面，只需确认反射面始终出现在10厘米处即可。

由于GWR发射机同时可以通过HART提供4-20 mA模拟信号上的初级电平和反射器距离作为次要变量以及其他诊断数据，因此在不中断其安全功能的情况下，连续在线计算适当的校正系数是一件简单的事情。如果反射面测量表明此时需要修正+1.46%，则将相同的补偿因子应用于液位测量。在各种工业锅炉应用中，这种方法在整个运行范围内得到了验证，包括负载波动和启动/关闭周期。GWR可以替代机械位移器，或者如图5所示，它可以与集成的磁性液位指示器和变送器集成，以提供可视化指示和冗余测量。

为了实现安全可靠的过程，设计人员必须确保安全可靠的SIS工作在稳定和良好控制的过程之上。理解和最小化所有操作领域的共同原因问题是至关重要的，用户可以利用各种新技术来扩大设计、多样性和诊断的范围，当进行过程测量时。

Mark Menezes，彭，管理艾默生自动化解决方案在加拿大的测量业务，包括压力，温度，水位，流量和腐蚀。他在过程自动化方面有27年的经验;爱默生有20个。他拥有多伦多大学(University of Toronto)的化学工程学位和约克-舒立克商学院(York-Schulich)的工商管理硕士学位。由CFE媒体内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程，jsmith@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 的风险变送器不能正确响应事件可能是由于压力仪表脉冲管线堵塞或冻结，主要流动元件的侵蚀或涂层，和/或由于低温导致的传感器或毛细管响应缓慢。
• 根本原因线路堵塞通常是肮脏的工艺流体，它将接触并影响连接到特定工艺的所有变送器。
• 更新的风格导波雷达(GWR)液位变送器可以取代机械位移器，也可以与集成的磁性液位指示器和变送器集成，以提供可视化指示和冗余测量。

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